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可產(chǎn)生超寬全譜激光的白光激光技術(shù)

星之球科技 來源:光電匯OESHOW2018-01-04 我要評論(0 )   

世界性的難題傳統(tǒng)激光的波長是由增益物質(zhì)中原子、分子或離子的能級結(jié)構(gòu)決定的,因此激光器不能產(chǎn)生任意波長的激光輸出。隨著非線

 世界性的難題

傳統(tǒng)激光的波長是由增益物質(zhì)中原子、分子或離子的能級結(jié)構(gòu)決定的,因此激光器不能產(chǎn)生任意波長的激光輸出。隨著非線性光學(xué)的發(fā)展,通過非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù),能將某一固定波長的激光輸出通過非線性晶體材料,轉(zhuǎn)換到很難或者根本不可能直接得到的波長區(qū)域;它已成為獲得新波長相干光源的重要手段。
 
20世紀(jì)90年代,周期極化晶體制作工藝的成熟,以及外加電場極化法的出現(xiàn),通過對二階非線性系數(shù)進行空間調(diào)制來實現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配,使之成為具備周期性變化二階非線性系數(shù)的非線性光子晶體。
 
非線性光子晶體利用準(zhǔn)相位匹配技術(shù),使得非線性系數(shù)較大、透光范圍較寬而無法實現(xiàn)常規(guī)相位匹配的晶體能高效轉(zhuǎn)換。該技術(shù)通過人為合理地控制疇反轉(zhuǎn)周期,可實現(xiàn)理想的非線性相位匹配,使變頻輸出光的能量達到實際應(yīng)用要求。
 
不斷拓寬激光輸出的頻率范圍和提高轉(zhuǎn)換效率,是激光技術(shù)的發(fā)展趨勢。超連續(xù)、超寬帶、全相干的、具備太陽光譜的白光激光,不失為一種完美的激光光源。
 
但是,白光激光是否可以被創(chuàng)造,取決于是否可以創(chuàng)造出一種晶體制造技術(shù),確保該晶體能夠保障多級次非線性頻率上轉(zhuǎn)換過程能夠同時高效率產(chǎn)生,這樣就可以產(chǎn)生極寬帶、多階次高次諧波。目前這還是世界性的難題。
 
解決這一世界性難題,不僅可以誕生一種新型非線性光子晶體超材料,而且,還能夠產(chǎn)生超寬帶、超連續(xù)、全相干的新型超寬譜激光光源----真正意義上的白光激光。它將對人類社會利用激光光源改造世界,產(chǎn)生深遠(yuǎn)和革命性的影響。
 
 
攻克這一難題,還能解決激光的高轉(zhuǎn)換效率問題,打破人們長期以來依賴單譜線或窄帶寬激光進行工作的禁錮。例如,不需要多臺激光器設(shè)備,僅僅通過一塊晶體就使多譜線激光協(xié)同工作成為現(xiàn)實;超寬譜激光應(yīng)用系統(tǒng)也將在更加廣闊的領(lǐng)域真正得到創(chuàng)新應(yīng)用和發(fā)展。
 
這種新的非線性光子晶體超材料技術(shù)的誕生,意味著把傳統(tǒng)上需要多塊晶體級聯(lián)才能完成的任務(wù),通過單片晶體的設(shè)計,以更加高效、簡單的方式完成;傳統(tǒng)飛秒脈沖激光器也將朝著低成本化、操作簡易化、體積小型化方向發(fā)展。
 
“白光激光技術(shù)”的誕生
 
面對世界性難題,時任中科院物理所光學(xué)重點實驗室副主任的李志遠(yuǎn)研究員認(rèn)為,超連續(xù)、超寬帶和全相干的白光激光光源,不但要求所有顏色的激光本身都是相干激光,而且,所有顏色的激光之間都彼此相干;這兩個必要條件缺一不可。
 
如果從傳統(tǒng)思維方式去單純尋找破解思路,就要求抽運光有極寬的帶寬,同時二次諧波產(chǎn)生(SHG)變頻過程也要求有極寬的帶寬;目前所有的非線性晶體和非線性超晶格材料都不可能做到。
 
如果繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的定向思維去研發(fā)新的非線性晶體,也是不可取的。一塊傳統(tǒng)的非線性晶體,需要耗費大量人力和物力去研發(fā)它,時間成本和資金成本都很大。例如,LBO晶體和BBO晶體,就耗費了福建物構(gòu)所前后三代人去研發(fā),而一塊LBO晶體的生長周期需要2-3個月,一個BBO晶體的生長周期更長,需要3-4個月。
 
李志遠(yuǎn)認(rèn)為有必要另辟蹊徑,用一種全新思路和方法去攻克這一難題。
經(jīng)過縝密思考和推算,李志遠(yuǎn)給他的團隊定下了研究方向和研究思路;將激光技術(shù)和非線性技術(shù)結(jié)合起來,改造非線性晶體內(nèi)部的構(gòu)造,保障多級次非線性頻率上轉(zhuǎn)換過程能夠同時高效率產(chǎn)生,就可以產(chǎn)生極寬帶多階次高次諧波,最終獲取超寬帶、超連續(xù)、全相干的白光激光。
 
 
 
最終,于2015年,通過寬帶級聯(lián)倍頻和和頻技術(shù)的全新的學(xué)術(shù)思想,采用多級次、超寬帶準(zhǔn)相位匹配的解決方案,簡單、通俗、易行、高效地解決了這一個世界性難題,填補了世界性激光技術(shù)的空白。
 
激光技術(shù)和非線性技術(shù)相結(jié)合,因能產(chǎn)生350-2000 nm全譜激光光源,因此,李志遠(yuǎn)形象地把這種技術(shù)稱為白光激光技術(shù)。
 
這一世界首創(chuàng)的技術(shù)不僅在當(dāng)年得到中國光學(xué)學(xué)術(shù)界的認(rèn)可,還獲得“中國光學(xué)重要成果獎”,同時2項發(fā)明專利也申請獲批。
 
激光超材料white光子晶體
 
李志遠(yuǎn)團隊利用白光激光技術(shù),通過對非線性晶體鈮酸鋰晶體的改造,使普通的非線性光子晶體,成為可產(chǎn)生白光激光的超材料(超材料,是指人為設(shè)計的結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料),并把它命名為White光子晶體。
 
 
利用準(zhǔn)相位匹配原理,對鈮酸鋰晶體材料內(nèi)部的鐵電疇實施極化,極化圖案為啁啾結(jié)構(gòu),最終誕生的White光子晶體,它是準(zhǔn)相位匹配理論與實踐完美結(jié)合的產(chǎn)物。輸出諧波做到了2到8階同時輸出;產(chǎn)生的白光激光,分色后得到彩色連續(xù)光譜。
 
備制一塊White光子晶體,所耗費的時間成本和資金成本,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)非線性晶體的研發(fā)和制造;制造流程和工藝也符合產(chǎn)業(yè)化要求。
 
 
 
White光子晶體,采用的輸入源是中紅外飛秒脈沖激光抽運源,輸入源還可擴展為近紅外飛秒脈沖激光抽運源,以擴大飛秒脈沖白光激光的輸出功率。在掌握白光激光技術(shù)后,團隊將持續(xù)深入研發(fā)功能更加強大的White光子晶體芯片。
 
White光子晶體不僅僅可以產(chǎn)生白光激光,通過定制,還可以產(chǎn)生社會生產(chǎn)生活中所需的各種波長和帶寬的激光。這項技術(shù)終結(jié)了傳統(tǒng)激光器不能產(chǎn)生任意波長激光的歷史,從而擴大了激光家族,對激光應(yīng)用系統(tǒng)的創(chuàng)新開發(fā)和市場規(guī)模的擴大,將起到深遠(yuǎn)的影響。
 
從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化
 
李志遠(yuǎn)創(chuàng)立的單片設(shè)計理念,把傳統(tǒng)上需要多塊晶體級聯(lián)才能完成的工作,簡化到單片White光子晶體里,通過對單片晶體的設(shè)計,以更加高效、簡單的方式去完成;為激光器的簡易操作和小型化奠定了基礎(chǔ)。
 
White光子晶體可依據(jù)客戶需求和應(yīng)用場景進行定制任意波長和帶寬的激光,這一功能極具市場潛力。
 
將科技成果轉(zhuǎn)化,才能真正體現(xiàn)白光激光技術(shù)的價值。2016年,李志遠(yuǎn)率領(lǐng)的團隊在南京成立了南京晶之彩材料科技有限公司,向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展邁出了第一步。
 
在公司成立之后的一年多時間里,團隊研發(fā)的White光子晶體芯片,使之更加符合日常生產(chǎn)、生活中的需求;并設(shè)計了適合White晶片批量化生產(chǎn)的工藝流程;完成了與之相匹配的飛秒脈沖白光激光器的前期研發(fā)工作,配備白光激光技術(shù)的飛秒脈沖激光器將成為白光激光應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的主力軍。
 
目前,公司開發(fā)的產(chǎn)品有以下五大系列:

 

 
為了方便將White光子晶體集成到各種激光光路中,公司還研發(fā)出White-Box產(chǎn)品設(shè)計,作為快速應(yīng)用白光激光的解決方案,普及白光激光。
 

 

White Box 產(chǎn)品設(shè)計方案
 
充分利用好白光激光技術(shù),必將給社會帶來更多的、更加精準(zhǔn)的應(yīng)用系統(tǒng),推動社會生產(chǎn)力的進步??焖賹⒖萍汲晒晒D(zhuǎn)化,除了自身的努力之外,還需要與各種社會資源通力合作。
 
白光激光技術(shù)團隊,在李志遠(yuǎn)帶領(lǐng)下,將繼續(xù)朝著White光子晶體深層研發(fā)和白光激光產(chǎn)業(yè)化的道路堅定地走下去??梢哉雇?,不久的將來就會有配備白光激光技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)誕生。
 

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激光技術(shù)傳統(tǒng)激光
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